热解温度对花生壳生物质炭吸附去除水中4硝基酚的影响

第35卷 第7期 农 业 工 程 学 报 Vol.35 No.7

224 2019年 4月

Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr. 2019

热解温度对花生壳生物质炭吸附去除水中4-硝基酚的影响

高秀红

1

，刘子明

2

，滕洪辉

1

，杨春维

1

，汤 茜

1

，李 瑶

1

（1. 吉林省高校环境材料与污染控制重点实验室，吉林师范大学，四平 136000；2. 吉林工程职业学院，四平 136001）

摘 要：为提升农业废弃物的资源化再利用价值，以花生壳为原料，在不同热解温度（400、500、600 ℃）下限氧制备

花生壳生物质炭（BC400、BC500、BC600），考察其对水中4-硝基酚的吸附效果。生物质炭表面灰分通过酸洗法去除，

采用批量吸附试验的方法分析生物质炭对PNP吸附特性的影响，并结合元素分析、扫描电镜及红外光谱图方法，探讨热

解温度对生物质炭吸附水中PNP特性的影响。结果表明，生物质炭总产量随温度升高而降低，其含碳量随温度升高逐渐

增加；生物质炭中含氧官能团随温度的升高而减少，芳香性增强，有利于对有机物的吸附。吸附等温线符合Freundlich

模型，线性拟合很好，R

2

在0.954～0.991之间；对比伪二级动力学模型、Elovich模型、颗粒内扩散模型可知，吸附过程

与伪二级吸附动力学模型拟合效果最佳，R

2

在0.981～0.999之间，平衡吸附量随热解温度升高而增大，

BC600>BC500>BC400，BC600的吸附容量为34.48 mg/g，是BC400的2.25倍。以NaOH为解吸剂，当NaOH质量浓度

为1.0 mg/L时对4-硝基酚的解吸效率最高，为68.21%，可见生物质炭的再生利用具有一定的可行性。因此，高温制备的

花生壳生物质炭可作为去除4-硝基酚的良好功能材料。

关键词：吸附；温度；花生壳；生物质炭；4-硝基酚

doi：10.11975/.1002-6819.2019.07.028

中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-07-0224-07

高秀红，刘子明，滕洪辉，杨春维，汤 茜，李 瑶. 热解温度对花生壳生物质炭吸附去除水中4-硝基酚的影响[J]. 农

业工程学报，2019，35(7)：224－230. doi：10.11975/.1002-6819.2019.07.028

Gao Xiuhong, Liu Ziming, Teng Honghui, Yang Chunwei, Tang Qian, Li Yao. Adsorption-remove effect of p-nitrophenol in water

by peanut shell biochar at different pyrolysis temperatures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering

(Transactions of the CSAE), 2019, 35(7): 224－230. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/.1002-6819.2019.07.028

0 引 言

生物质炭是由木材或其他农林废弃物在低氧或是限

氧条件下经高温热解制得的，其含碳量和孔隙度都很高，

比表面积大，表现出良好的吸附性能，加之制备过程简

单、材料来源广泛。因此生物质炭在土壤修复、污水和

废气治理等方面受到广泛关注。花生是中国种植面积仅

次于油菜的重要油料作物

[1]

。花生耐旱性较强，广泛种植

于干旱、半干旱地区，中国花生的种植面积位居世界第

二，总产量第一。因此花生壳是一种产量较大的农业废

弃物，年均产量1.8×10

6

t

[2]

，多数没有得到有效利用，

除少量被用作动物饲料外，大部分被焚烧或是直接丢弃，

即浪费资源，又污染环境。因此，开发花生壳的综合利

用价值受到广泛关注。

研究表明花生壳生物质炭在800 ℃经KOH活化后在

pH值为6时对亚甲基蓝的吸附量最大

[3]

，吸附动力学符

合伪二级动力学模型；王荣荣等

[4]

在300 ℃热解制得花生

壳生物质炭，对硝态氮的吸附可在30 min达平衡，该过

收稿日期：2018-09-07 修订日期：2019-03-28

基金项目：国家青年科学基金项目（51708250）；吉林省科技厅项目

（2TC）；吉林省大学生创新创业训练计划项目（2017116）；四

平市科技发展计划项目（2017099）

作者简介：高秀红，讲师，研究方向为水污染治理与资源化。

Email：xiaohangnt@



程以化学吸附为主；经高锰酸钾改性的花生壳炭对Cd

2+

的去除率比未改性前提高6.2倍

[5]

；花生壳生物质炭对

Cd

2+

的吸附主要为络合反应

[6]

；张瑞玲等

[7]

选用花生壳、

栗子壳、核桃壳等生物质原料在不同温度下制备生物质

炭，在650 ℃热解所得花生壳生物炭除氟效果最好，吸

附容量达0.82 mg/g，由此可见，生物质炭在污染物治理

领域具有广阔的发展前景。但有关花生壳生物质炭对水

中4-硝基酚（p-nitrophenol，PNP）的去除研究鲜有报道。

4-硝基酚是农药、医药、染料制备过程的中间体，应用广

泛，但其有一定的生物毒性，对中枢神经和迷走神经末

梢有刺激及抑制作用，会出现高铁血色素症和呼吸困难

等症状，被中国环保部和美国环保署列为“优先控制污

[8]

染物”。若4-硝基酚进入地表水、土壤及地下水环境中，

必将对环境及人类健康造成危害。鉴于此，本研究在不同

热解温度下制备花生壳生物质炭，考察了热解温度对花生

壳生物质炭对PNP吸附性能的影响，以期提升花生壳的再

利用价值，为其处理含酚类废水的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

主要试剂：4-硝基酚（p-nitrophenol，PNP），分析

纯，国药集团化学试剂有限公司；盐酸，分析纯，国药

集团化学制药有限公司；氢氧化钠，分析纯，沈阳市华

东试剂厂；去离子水，实验室自制。

第7期 高秀红等：热解温度对花生壳生物质炭吸附去除水中4-硝基酚的影响

225

主要仪器：JB-409六联双排数显恒温磁力搅拌器（常

州普天仪器制造有限公司）；SX2系列箱式电阻炉（上

海阳光实验仪器有限公司）；101A-1ET电热鼓风干燥箱

（上海实验仪器有限公司）；HY-12型压片机（天津天光

光学仪器有限公司）；80-1离心机（江苏金坛市佳美仪

器厂）；AC630傅立叶变换红外光谱仪（安捷伦科技公

司）；扫描电镜（SEM）（FESEM，JEOL 7800F）；721G

可见分光光度计（上海仪电分析仪器有限公司）等。

1.2 花生壳生物质炭的制备

花生壳，前驱物为市售花生（吉林产）脱仁后残留

物。花生壳洗净、烘干、破碎，过0.6 mm筛后，装入坩

埚，盖上盖子，热解温度设为400、500、600 ℃，升温

速度为3 ℃/min，在马弗炉内热解炭化6 h；经冷却后，

用1 mol/L的盐酸溶液浸泡，反复用去离子水浸洗直至中

性；烘干、过0.16 mm筛，装于广口瓶密封待用。采用

溴化钾压片法，使用傅立叶变换红外光谱仪进行红外光

谱特征分析。所制花生壳生物炭分别标记为BC400、

BC500和BC600。

1.3 等温吸附试验方法

分别称取定量的BC400、BC500和BC600置于150 m

具塞锥形瓶中，分别加入100 mL质量浓度5~40 mg/L的

PNP溶液。在避光、25 ℃、(150±10) r/min条件下恒温

振荡，每隔120 min后取样，每次取3个平行样，离心后，

取上清液在400 nm波长下测定吸光度，进行等温吸附

试验。

生物炭吸附PNP的吸附量（Q

t

）计算公式如下

Q

(C

0



C

t

)



V

t



W

（1）

式中C

0

为PNP溶液的初始浓度，mg/L；C

t

为吸附时间所

对应的PNP溶液的浓度，mg/L；V为PNP溶液的体积，

mL；W为花生壳生物质炭的质量，g。

本研究运用等温模型对吸附数据进行拟合处理，

Freundlich线性化公式为

lnQ

1

e



n

lnC

e



lnK

F

（2）

Langmuir吸附等温线方程

C

e

C

Q



e



1

Q

（3）

e

Q

mm



K

L

式中C

e

为PNP的平衡浓度，mg/L；1/n为吸附指数；Q

e

为吸附平衡时的吸附量，mg/g；Q

m

为最大吸附量，mg/g；

K

F

和K

L

分别为Freundlich和Langmuir模型有关的平衡

常数。

1.4 吸附动力学试验方法

为了观察花生壳生物质炭吸附PNP溶液的动力学特

征，分别向质量浓度为5、10、20、30、40 mg/L的PNP

溶液中投加热解温度为600 ℃花生壳生物质炭进行吸

附，pH值为中性的条件下，搅拌转速为150 r/min的条件

下进行吸附试验，每隔20 min进行取样，测定PNP溶液

的吸光度，观察花生壳生物质炭在不同吸附时间下对

PNP吸附量的影响。记录该过程试验数据，观察PNP的

吸附动力学特征。伪二级吸附动力学（式（4））、Elovich

模型（式（5））和颗粒内扩散模型（式（6））计算公

式如下

t

Q



1

2



1

Q

t

（4）

t

k

2

Q

ee

Q

t

ablnt

（5）

Q

t

k

1/2

p

tc

（6）

式中Q

e

为PNP平衡吸附量，mg/g；Q

t

为t时刻的PNP

的吸附量，mg/g；k

2

为伪二级动力学反应速率常数，

g/(mg·min）；k

p

为内扩散速率常数，mg/(kg·min

1/2

）。a、

b、c为常数。

1.5 PNP的解吸试验方法

在恒温持续振荡条件下，0.06 g花生壳生物质炭

BC600预先平衡吸附50 mL 20mg/L PNP，离心过滤，

用50 mL不同质量浓度（0.25～1.5 mg/L）NaOH在

(150±10) r/min恒温震荡2 h，以选择NaOH的浓度。

解吸效率（DE）计算公式如下

DE



C

d



V

d

m



Q



100%

（7）

e

式中C

d

为解吸出的PNP浓度，mg/L；V

d

为解吸剂的体

积，L；m为预先吸附时所用吸附剂的质量，g。

2 结果与分析

2.1 花生壳生物质炭产量及元素组成分析

生物质炭热解制备过程按照升温速率不同可主要分

为慢速热解（<10 ℃/min）、快速热解（≥10 ℃/min)和

气化（极快）

[9]

3种类型。本研究花生壳生物质炭制备过

程为慢速热解，包括干燥预热、挥发分析出和碳化3个

阶段

[10]

。经工业分析（表1），结果表明，在不同温度条

件制得的生物质炭量由400 ℃的48.83%降低到600 ℃的

19.40%，生物质炭的热解反应质量损失比率由400～

500 ℃的42.3%降至500～600 ℃的31.1%，灰分和挥发分

随热解温度上升呈明显增加趋势，而水分呈缓慢下降趋

势。可见慢速热解过程生物质炭的产率随着热解温度升

高而逐渐下降，低温热解有利于获得较多的生物质炭

[8]

。

由元素分析可知，生物质炭中碳含量随温度的升高逐渐

增加，而氢和氧含量随温度升高明显下降，即花生壳在

热解炭化过程中随温度的升高发生了脱氧脱氢反应，炭

化程度随温度的升高而增加。同时，生物质炭H/C、O/C、

(O+N)/C的比值逐渐降低，反映了生物质炭中含氧官能团

随温度的升高而减少，致使其在高温热解过程中获得较

完整的芳香结构

[11]

，有利于提高生物质炭对有机物的吸

附能力。Ahmad等

[12]

研究表明，随热解温度的升高，氢

氧功能基团不断减少将有利于三氯乙烯的吸附。

不同温度条件下花生壳生物质炭微观形貌的扫描电

镜（scanning electron microscope，SEM）如图1所示，结

果表明生物质炭表面粗糙度及孔隙度随热解温度升高而

增加，致使比表面积增加。图1a为BC400生物质炭颗粒，

由图可知，低温花生壳炭表面具有一定的粗糙度，表面

226

农业工程学报（） 2019年

有少量裂痕，但基本保持了生物质原料的表面形态，孔

隙结构不发达；图1b为BC500生物质炭，此时，花生壳

表面出现了较大的凹坑和裂缝，炭颗粒边缘部分褶皱增

多，比表面积有所增加；图1c为BC600生物质炭，可以

观察到炭表面的孔隙结构较为丰富，孔隙数量增加，且

分布较为均匀，呈类似蜂窝状，炭化程度增加，因此较

高热解温度对生物质炭的比表面积增加明显，可为污染

物的附着提供更多的吸附位点。

表1 花生壳生物质炭元素组成分析

Table 1 Element analysis of peanut shells biochar

生物质炭

Biochar

BC400

BC500

BC600

工业分析

Proximate analysis/%

灰分 挥发分 固定碳

Ash Volatile matter Fixed carbon

9.73

13.47

18.73

29.34

46.71

53.73

48.83

28.19

19.40

元素质量分数

Elemental mass fraction/%

N

0.19

0.22

0.27

C

74.6

82.9

86.5

H

3.2

2.64

1.94

S

0.01

0.06

0.08

O

17.2

12.8

9.7

元素比率（摩尔比）

Element ratio（molar ratio）

H/C

0.51

0.38

0.26

O/C

0.17

0.11

0.08

(O+N)/C

0.18

0.12

0.09

水分

Moisture

12.1

11.63

8.75

注：BC400、BC500、BC600分别为热解温度在400、500、600 ℃下制备获得的花生壳生物质炭。下同。

Note: BC400, BC500 and BC600 are peanut shell biochar prepared at a pyrolysis temperature of 400, 500 and 600 ℃, respectively. Same as below.

图1 不同热解温度下花生壳生物质炭的 SEM 图

Fig.1 SEM images of peanut-shell-biochar product under

different pyrolysis temperatures

花生壳生物质炭比表面积与孔隙参数如表2所示，

不同温度下制备的花生壳生物质炭的平均孔径随热解温

度的升高依次减小，而比表面积和孔容等其他参数均随

温度升高呈明显增大趋势。BC500的比表面积和中孔比

表面积分别是BC400的2.83和7.21倍，BC600分别是

BC500的7.35、1.86倍，可见花生壳生物质炭在低温区

间热解产物的孔隙度增加主要源于中孔数目的贡献，而

在相对高温区中孔数目增幅显著降低，而比表面积大幅

提升则源于大量微孔的产生。可见，热解温度能明显改

变生物质炭的结构，高温热解可提高生物质的炭化程度，

增大比表面积、增多孔隙度等因素

[13]

，有利于增强其对

污染物的吸附能力，因此热解温度是影响生物质炭的物

理特性的重要因素之一。

表2 花生壳生物炭的比表面积和孔结构参数

Table 2 Specific surface area and pore structure parameters of peanut shell biochar

生物质炭

Biochar

BC400

BC500

BC600

BET比表面积

BET specific surface

area/(m

2

·g

-1

)

22.074

62.48

459.24

t-plot微孔比表面积

t-plot micropore specific

surface area/(m

2

·g

-1

)

10.83

21.27

39.86

t-plot 微孔孔容

t-plot misopore specific

volume/(cm

3

·g

-1

)

0.004 5

0.008 2

0.017 2

中孔比表面积

Mesopore specific

surface area/(m

2

·g

-1

)

0.734

5.291

9.862

总孔容积

Specific pore

volume/(cm

3

·g

-1

)

0.004

0.013

0.029

平均孔径

Average pore

size/nm

3.75

2.16

1.89

2.2 生物炭的性质分析

不同热解温度下制得的花生壳生物质炭含有丰富的

官能团，其傅立叶变换红外光谱（Fourier transform

infrared spectroscopy，FTIR）如图2所示。

图2 花生壳生物炭的红外光谱图

Fig.2 Infrared spectrogram of different peanut shell biochars

从2图中可知花生壳生物炭在3 400 cm

-1

左右处为羟

基（-OH）的伸缩振动峰

[14]

，2 850 cm

-1

附近处为对称的

-CH的伸缩振动峰；1 700 cm

-1

处为羧基（-COOH）C=O

的伸缩振动峰；1 620 cm

-1

附近的吸收峰为C=C的伸缩振

动峰；1 400 cm

-1

处的吸收峰为-OH的面内弯曲振动；

1 260 cm

-1

附近为醚类C-O的伸缩振动峰；1 130 cm

-1

处

为羧基（-COOH）的-OH伸缩振动峰

[10-11]

。所以，花生

壳生物质炭的含氧基团包括羰基、醚基、酯基、醇类和

酚类等。

随着温度的逐渐增加，在波数为3 400 cm

-1

处的-OH

伸缩振动峰发生了细微的变化，振动峰趋势在减弱，主

要是因为结合水的脱离导致氢键结合的-OH逐渐断裂。

但当花生壳生物质炭吸附PNP溶液后，2 850 cm

-1

附近对

称的-CH的伸缩振动峰减弱。

比较BC500、BC400红外光谱图可知，波数在1 130～

-1

1 700 cm

范围时，C=O、C-O、-OH、C=C等基团的伸

缩振动峰

[13-14]

随温度升高逐渐减弱，表明花生壳生物质

炭制备过程中，在热解温度由400 ℃升至500 ℃时，生

物质炭中的含氧、含氢基团，随温度升高发生缓慢的脱

氧、脱氢反应；同时，与BC600的红外光谱图对比可知，

该范围内的上述基团的伸缩振动峰发生了明显减弱趋

第7期 高秀红等：热解温度对花生壳生物质炭吸附去除水中4-硝基酚的影响

227

势，有的甚至消失，表明当温度由500 ℃升至600 ℃时，

生物质炭发生了强烈的脱氧、脱氢反应，红外光谱图结

论进一步证实了元素组成分析表1的结果。由此可知，

当热解温度越高，获得的生物质炭的结构越稳定，其炭

化程度也越高

[15]

，即生物质炭热解制备过程中其热解程

度随温度升高而增加。

2.3 热解温度对花生壳生物质炭去除水中PNP吸附等温

线的影响

BC400、BC500、BC600对水中PNP的吸附等温线

呈现一定线性关系，如图3所示，利用Freundlich模型（F

[6]

型）和Langmui模型（L型）对其进行拟合，相应参数

见表3。F型、L型的拟合决定系数R

2

范围分别为0.954～

0.991、0.870～0.930，可见花生壳生物质炭对PNP的吸

附更符合F模型，且1/n在0.169和0.299之间，均小于

1

[16]

，表明花生壳生物质炭易吸附水中的PNP；由F型中

常数K

F

表征吸附剂的吸附能力，K

F

越大吸附能力越强，

本研究中吸附常数K

F

值随热解温度的升高而增加，表明

花生壳生物质炭对PNP的吸附能力随热解温度的升高而

明显增大，即BC600>BC500>BC400，这可能是由花生壳

的热解温度越高，所制成的生物炭的比表面积越大，同

时芳香性程度增加所致

[17]

。高温热解制得的花生壳生

物质炭对PNP溶液的吸附能力强，继而可推广至生物

质经高温热解制备的炭吸附材料有利于有机酚类污染

物的去除。

表3 花生壳生物炭吸附PNP的吸附等温参数

Table 3 Isotherm parameters of different isotherm equations for

PNP adsorption by biochars of peanut shells

生物

质炭

Biochar

BC400

BC500

BC600

Freundlich 模型

Freundlich model

K

F

/

1/n R

2

(mg·g

-1

)

2.479 0.227 0.954

2.784

4.133

0.299

0.169

0.991

0.981

Langmuir 模型

Langmuir model

Q

e

/ K

L

/

R

2

(mg·g

-1

) (L·g

-1

)

4.587 0.113 0.883

9.174

9.709

0.082

0.035

0.930

0.870

注：K

F

和K

L

分别为Freundlich和Langmuir模型有关的平衡常数；1/n为吸

附指数。

Note: K

F

and K

L

are equilibrium constant of Freundlich and Langmuir model,

respectively. 1/n is adsorption index.

2.4 吸附动力学分析

不同温度条件下制备的花生壳生物质炭对水中PNP

的吸附过程变化趋势大致相同，均经历了快速吸附

（t<20 min）、慢速吸附（20 min≤t≤80 min）和平衡吸

附（t>80 min）3个阶段

[18]

，如图4所示整个吸附历经先

快后慢，最后在80 min左右吸附过程基本达到平衡，这

可能与生物质炭的结构有关。采用伪二级吸附动力学、

Elovich模型和颗粒内扩散模型对吸附动力学及吸附机理

进行研究，各模型参数如表4所示。对比各种模型的拟

合决定系数R

2

可知，伪二级吸附动力学对花生壳生物质

炭对水中PNP的吸附拟合效果最好，R

2

在0.981～0.999

之间，结论与窦建芝等

[19]

研究结论一致，可知该模型完

全适用于描述花生壳生物质炭对PNP的吸附动力学特

征。伪二级动力学模型建立在物理扩散、化学吸附共存

的假定之上，描述的是一个复杂吸附过程。由此可知花

生壳生物质炭对PNP的吸附过程同时发生了物理吸附和

化学吸附，且吸附速率受化学吸附机理的控制。

注：C

e

为PNP的平衡浓度；Q

e

为吸附平衡时的吸附量。

Note: C

e

is the equilibrium content of PNP, Q

e

is the equilibrium adsorption

amount.

图3 花生壳生物炭吸附PNP的吸附等温线

Fig.3 Different adsorption isotherm for PNP by biochars of

peanut shells

图4 生物炭吸附时间对PNP的影响

Fig.4 Effect of biochar adsorption time on PNP

表4 不同热解温度生物质炭对PNP的吸附动力学参数

Table 4 Adsorption kinetic parameters of PNP by different pyrolysis temperatures biochars

生物质炭

Biochar

BC400

BC500

BC600

伪二级动力学模型

Pseudo-second-order kinetic model

Q

e

/(mg·g

-1

) k

2

/(g·mg

-1

·min

-1

) R

2

15.38

28.57

34.48

0.002 4

0.002

0.001

0.981

0.995

0.999

Elovich模型

Elovich model

b

2.774

1.505

4.782

R

2

0.910

0.956

0.984

颗粒内扩散模型

Particle internal diffusion model

K

p

/(mg·kg

-1

·min

-1/2

) c R

2

0.825

1.402

1.755

3.60

9.319

9.148

0.883

0.928

0.930

a

3.200

5.435

6.893

注：k

2

为伪二级动力学反应速率常数；k

p

为内扩散速率常数；a、b、c为常数.

Note: k

2

is reaction rate constant of pseudo secondary dynamics model, k

p

is internal diffusion rate constant. a, b, c are constants.

水中PNP与花生壳生物质炭上的基团发生化学反

应，存在广泛的电子共用或电子转移现象。对比伪二级

动力学反应速率常数k

2

可知，吸附速率随温度的升高而

减小，说明BC600吸附速率最小，表明在600 ℃下制备

的生物质炭上具有较少的基团，发生化学吸附的位点较

低温生物质炭少，该结论可由红外光谱图得出的生物质

炭在高温条件下发生脱氢脱氧反应相吻合。而由平衡吸

附量Q

e

与实际相当，Q

e

随制备温度升高而增大，由BC400

的15.38 mg/g增至BC600的34.48 mg/g，吸附容量增加

125%，且BC600的吸附与伪二级动力学拟合度最高，

228

农业工程学报（） 2019年

BC600对PNP的最大吸附量是400 ℃下制备玉米秸秆、

毛杨树叶及城市生活污泥生物质炭对2-4-二氯苯氧乙酸

的吸附量

[20]

的12.6倍以上。可见，花生壳生物质炭较其

他类型生物质炭具有显著的吸附优势。这很大程度上源

于高温制备的花生壳生物质炭具备更大的比表面积，进

而为PNP提供更多的吸附位点和接触面积所致。

Elovich模型

[21]

主要适用于拟合包括一系列反应机制

的复杂吸附过程。由其拟合的决定发系数R

2

（0.910～

0.984）可知Elovich模型也能较好地描述生物质炭吸附

PNP的动力学过程。可见生物质炭对PNP的吸附过程在

固液相界面处物理扩散、表面活化与去活化过程大致可

用Elovich模型解释，该过程存在复杂的非均相扩散过

程。从颗粒内扩散模型拟合的决定系数R

2

（0.883～0.930）

可知，颗粒内扩散模型拟合生物质炭吸附PNP的动力学

过程较差，说明吸附过程存在颗粒内扩散现象，但吸附

过程受其他吸附阶段共同控制。

综上可知，花生壳生物质炭对水中PNP的去除是一个

极其复杂的吸附过程，除涉及化学、物理吸附以外，还存

在固液界面非均相扩散及颗粒内扩散吸附过程。吸附初

期，PNP快速占据生物质炭表面有限的吸附位点

[17]

，该过

程为简单的液固相传质过程，传质阻力最小，因此吸附

速率最大，表面吸附起主要作用；而当表面吸附达饱和

后，PNP需穿过生物质炭表面不断进入其内部孔隙中进

行吸附，在孔隙中的液固传质阻力增加，因此PNP传质

速率缓慢降低；随吸附过程不断进行，吸附位点不断减

少，且由于PNP的固液传质过程阻力持续增加，使其与

生物质炭剩余吸附位点

[17]

的结合难度加大，导致吸附速

率不断下降，直至吸附位点饱和，吸附达到平衡。

2.5 NaOH对PNP的解吸

吸附材料的再生和循环利用是评价吸附性能的重要

因素。研究发现花生壳生物质炭在强碱性条件下对PNP

的吸附能力最弱

[22]

，因此选用NaOH作为解吸试剂。

NaOH试剂可与酚类反应形成钠盐，有利于酚从炭表面解

吸

[23]

。不同质量浓度（0.25～1.5 mg/L）的NaOH对BC600

吸附的PNP进行解吸研究，结果如图5所示。结果表明，

PNP的解吸效果随NaOH浓度的增大呈增加而后趋于平

稳的变化趋势。当NaOH质量浓度为0.25、1.0和1.5 mg/L

时，PNP的解吸率分别为12.83%、68.21%和63.81%，因

此，PNP解吸所需最佳NaOH质量浓度应为1.0 mg/L。

图5 NaOH对BC600吸附PNP的解吸效率

Fig.5 Desorption efficiency of PNP adsorpted by BC600 by

NaOH solution

2.6 应用前景

发展生物质热解炭化工业既可实现对农业废弃物的

资源化利用，又能为环境污染修复领域提供优质吸附材

料。生物质炭成本低、孔隙度高、比表面积大且富含多

种活性基团，对环境中的污染物具有强烈的吸附作用，

在环保领域有巨大的应用潜力。但目前不同类型生物质

炭结构性质存在差异，不同污染物的吸附机理有待深入

研究；研究多限于某种或某类生物质炭对单一污染物的

净化，而复合污染在环境中较为常见，多种污染物共存

的吸附机制还需进一步探讨；另外生物质炭的再生循环

利用及生命周期评价还缺乏系统研究。中国是农业大国，

大量的农业废弃物为生物质炭的制备提供丰富的原材

料。因此，在深入探讨研究的基础上，生物质炭的利用

对于节能减排，废弃生物质资源化利用及功能材料的开

发等领域有着极高的应用价值和现实意义。

3 结 论

1）在不同温度下制得的生物质炭量由400 ℃的

48.83%降低到600 ℃的19.40 %，而生物质炭中碳含量

随温度的升高逐渐增加，而氢和氧含量随温度升高明显

下降；

2）经元素组成分析，扫描电镜及FTIR图谱均表明

花生壳生物质炭在热解炭化过程中随温度的升高发生了

脱氧脱氢反应，官能团数目减少。当热解温度越高，获

得的生物质炭的结构越稳定，其炭化程度也越高。

3）不同热解温度生物炭（BC400、BC500、BC600）

对水中PNP的吸附等温线呈现一定线性关系，与

Freundlich模型拟合较好，R

2

为0.954～0.991，可用其预

测不同热解温度制备生物质炭的吸附性能；

4）生物质炭对PNP（4-硝基酚）的吸附符合伪二级

吸附动力学特征，R

2

在0.981～0.999之间，平衡吸附量

随热解温度升高而增大，BC600吸附容量比BC400增加

125%。

5）以NaOH为解吸剂，当NaOH质量浓度为1.0 mg/L

时对PNP的解吸效率最高，为68.21%，可见生物质炭的

再生利用具有一定的可行性。

因此，高温热解的花生壳生物质炭结构稳定、吸附

能力强，可作为PNP的有效吸附材料加以推广应用，本

研究可为农业废弃物的资源化再利用及环境污染物治理

奠定基础。

[参 考 文 献]

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Gao Xiuhong

1

, Liu Ziming

2

, Teng Honghui

1

, Yang Chunwei

1

, Tang Qian

1

, Li Yao

1

(1. Key Laboratory of Environmental Materials and Pollution Control, the Education Department of Jilin Province, Jilin Normal University,

Siping 136000, China; 2. Jilin Vocational College of Engineering, Siping 136001, China)

Abstract: Biomass carbon is produced from wood or other agricultural and forestry wastes by high temperature pyrolysis

under low oxygen or oxygen-limited conditions. It has high carbon content and porosity, large specific surface area and good

adsorption performance. In addition, the preparation process is simple and the materials are widely available. Peanut is an

important oil crop in China, thus peanut shell is a kind of agricultural waste with a large output. The comprehensive utilization

value of peanut shell has been widely concerned. Therefore, biomass carbon has received extensive attention in soil

remediation, sewage and waste gas treatment. The adsorption of p-nitrophenol (PNP) by biochars (BC400, BC500, BC600)

prepared from pyrolysis of peanut shells at different temperature (400, 500, 600 ℃) was investigated by batch adsorption

experiments. The amount of biomass charcoal produced at different temperature conditions decreased from 28.83% at 400 ℃

to 19.40% at 600 ℃. The pyrolysis reaction of biomass charcoal at 400-500 ℃ was more severe than that at 500-600 ℃, and

the mass loss ratio was decreased from 42.3% to 31.1%; The ash and volatile matter increased significantly with the increase

of pyrolysis temperature, while the water content showed a slow downward trend. The ash on the surface of biochar was

removed by hydrochloric acid washing. Combined with the element analysis, scanning electron microscope (SEM), and

Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis method, pyrolysis temperature showed a pronounced effect on

properties of biochar, so effecting its adsorption characteristics on PNP. The deoxidation and dehydrogenation reaction of

peanut shells in the process of pyrolysis and carbonization increased with the increase of temperature, and the degree of

carbonization increased with the increase of temperature. At the same time, the ratio of biomass carbon H/C, O/C, (O+N)/C

gradually decreased, reflecting that the oxygen-containing functional groups in biomass carbon decreased with the increasing

temperature. The biomass carbon with more complete aromatic structure had stronger hydrophobicity and lower polarity,

which was beneficial to increase the adsorption capacity of biomass carbon for organic matter. Results showed that the output

of biochar was decreased with rise of temperature, but the carbon content gradually increased, reflecting that the functional

groups containing oxygen in the biochar decreased with the rise of temperature. The higher temperature of pyrolysis was, the

more stability of the biochar structure. Adsorption isotherm conformed with the Freundlich model, linear fitting was very good,

R

2

was between 0.954-0.991. Contrasting pseudo secondary dynamics model, the Elovich model and the diffusion model in

particle adsorption behavior, the results showed that the pseudo secondary adsorption dynamics model fitting effect was best,

R

2

was between 0.981-0.999, equilibrium adsorption amount increased with the rise of the biochar preparation temperature

(BC600> BC500>BC400). BC600 adsorption capacity was 34.48 mg/g, that was 2.25 times of the BC400. With NaOH as

desorbent, the desorption efficiency of PNP was the highest at 68.21% when the concentration of NaOH was 1.0 mg/L. It can

be seen that the regeneration of biomass carbon had certain feasibility. Therefore, the preparation of high temperature peanut

shells biochar can be used as a good functional material for PNP removal. Peanut shell biomass carbon has broad development

prospects in the field of sewage treatment.

Keywords: adsorption; temperature; peanut shells; biomass charcoal; p-nitrophenol